淺談變頻器調(diào)速技術(shù)在棉紡行業(yè)的廣闊前景
1 引言
我國(guó)加入wto后，由于紡織品配額壁壘的取消，中國(guó)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)“棉紡織品”憑其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)全方位進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)，其出口量幾十倍，甚至成百倍地增長(zhǎng)。給國(guó)際，尤其是歐美市場(chǎng)帶來了新一輪的沖擊波。隨之而來的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也趨于白熱化，其競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)也突出在質(zhì)量、品種和價(jià)格三大焦點(diǎn)。
如何提高和穩(wěn)定質(zhì)量？如何降低成本？如何適應(yīng)多品種小批量？這些問題已成為棉紡廠老總?cè)找顾伎嫉闹餍伞?br>以上三大問題解決的迫切性，給交流變頻在棉紡行業(yè)的使用帶來了前所未有迅速發(fā)展的前景。
2 寬范圍的調(diào)速及軟啟動(dòng)能穩(wěn)定可靠地保證棉紗質(zhì)量
(1) 目前不少棉紡老廠50%~60%以上的設(shè)備都是五十年代以前的，甚至解放前的設(shè)備還在使用。棉紗質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)檔次的不斷提高已對(duì)這些設(shè)備構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，要么淘汰，要么改造，別無他法�？墒窃藜徳O(shè)備中的a字頭梳棉機(jī)道夫傳動(dòng)都采用雙速電機(jī)及摩擦離合器形式，因此，從慢速生頭到快速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的意外牽伸及變速箱齒輪磨損產(chǎn)生的“打頓”使棉條重不勻及cv%嚴(yán)重超標(biāo)，往往使成紗等級(jí)大幅下降甚至成為不合格品。
目前新開發(fā)的梳棉機(jī)道夫傳動(dòng)已采用交流變頻加普通異步電動(dòng)機(jī)，由于變頻的升降速范圍很寬，可達(dá)0.1~3600秒，且取消變速箱，離合器，直接采用同步齒形帶傳動(dòng)道夫，升降速非常平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，且無噪聲，它的使用從根本上克服了原a字頭梳棉機(jī)弊病，從而可確實(shí)可靠地保證棉條質(zhì)量。
(2) 原粗紗機(jī)一直采用錐形(鐵炮)變速機(jī)構(gòu)，但錐形變速皮帶打滑導(dǎo)致變速不準(zhǔn)，影響繞紗張力和成形不好的質(zhì)量問題�，F(xiàn)采用交流變頻調(diào)速，去掉了錐形變速機(jī)構(gòu)，使以上難題迎刃而解，從根本上把好了粗紗的質(zhì)量關(guān)。而對(duì)于細(xì)紗機(jī)來說，由于新型機(jī)采用變頻調(diào)速器去掉了成行機(jī)構(gòu)中的成型凸輪，進(jìn)而克服了由于成行凸輪所造成的桃底有停頓，桃頂有沖擊的難題，使細(xì)紗卷繞成形質(zhì)量大為提高。主電機(jī)采用變頻調(diào)速后，使得細(xì)紗在大、中、小紗時(shí)的轉(zhuǎn)速在變化，大大減少了細(xì)紗的斷頭率，使成紗質(zhì)量得到了可靠保證。
3 充分利用變頻的“節(jié)能”功能，可最大限度的降低產(chǎn)品成本
(1) 由于變頻器具有優(yōu)越的軟啟動(dòng)及恒扭矩功能，它可以在100%-150%扭矩下將異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流限制在額定電流附近。啟動(dòng)沖擊對(duì)電機(jī)容量及電網(wǎng)的限制條件已不存在。采用變頻后可徹底消除以前的大馬拉小車及電動(dòng)機(jī)功率過剩問題。
以前由于不使用變頻器，為保證啟動(dòng)時(shí)有足夠的扭矩和減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，送風(fēng)及大慣量負(fù)載裝機(jī)功率往往高出所需功率的40%~50%，變壓器容量也高出實(shí)際很多。這樣非但設(shè)備投資有很大一塊浪費(fèi)，而且電動(dòng)機(jī)、變壓器空載損耗(銅耗、鐵耗)的一塊電費(fèi)也相當(dāng)驚人。
(2) 風(fēng)機(jī)、空調(diào)變頻調(diào)速節(jié)能相當(dāng)可觀
由流體力學(xué)可知，風(fēng)量q與轉(zhuǎn)速一次方成正比，壓力h與轉(zhuǎn)速的平方成正比;
q/qe=n/ne
h/he=(n/ne)2
p/pe =(n/ne)3
式中:qe—風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)(流)量;
he—風(fēng)機(jī)的額定壓力;
pe—風(fēng)機(jī)的額定功率;
ne—風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速;
由式中可知，若風(fēng)機(jī)效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)風(fēng)量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速可成比例下降，此時(shí)風(fēng)機(jī)的輸出功率是成立方關(guān)系下降。
風(fēng)機(jī)在棉紡設(shè)備中應(yīng)用量大、面廣，其傳動(dòng)絕大部分為大功率交流電機(jī)，耗電量在棉紡設(shè)備中是大戶。以前風(fēng)機(jī)都采用電機(jī)恒速傳動(dòng)，調(diào)節(jié)風(fēng)門的辦法調(diào)節(jié)風(fēng)量。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡(jiǎn)單，但它是以增加管網(wǎng)損失，耗費(fèi)大量能源為代價(jià)的。如采用“風(fēng)機(jī)專用變頻”來自動(dòng)調(diào)速，就可以從根本上防止電能浪費(fèi)，單從公式p/pe=(n/ne)3來算，其節(jié)約的電費(fèi)就可想而知了�？照{(diào)是棉紡廠離不開的首選設(shè)備，據(jù)某大公司提供的數(shù)據(jù)，今年12臺(tái)空調(diào)使用變頻后節(jié)電24余萬元，空調(diào)用電年耗平均下降了7個(gè)百分點(diǎn)。
(3) 變頻器的使用，使原有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍，它變得既簡(jiǎn)單，又可靠。拿梳棉機(jī)道夫傳動(dòng)來講，使用變頻取消了減速箱，慣性飛輪，帶電刷的電磁離合器及雙速電機(jī)后，以前維修工最頭痛、最繁忙的變速箱漏油問題、齒輪磨損調(diào)換問題、離合器失靈損壞問題，工藝變化調(diào)換“變產(chǎn)”齒輪問題已全不存在。變頻器的使用，使維修工工作量急劇下降;維修備件倉(cāng)庫(kù)急劇萎縮;梳棉機(jī)的停臺(tái)率直線下降;而產(chǎn)量、質(zhì)量卻直線上升。反之，產(chǎn)品的成本亦將成倍下降！
4 變頻器的通訊方式
變頻器強(qiáng)大的通訊及軟件功能幾乎可與所有品牌的plc、工業(yè)式觸摸屏及工控機(jī)組成、靈活多變的數(shù)控系統(tǒng)(見圖1)。
圖1 變頻與plc通訊框圖
通過觸摸屏或鍵盤對(duì)軟件中的某些數(shù)據(jù)稍加改動(dòng)就可適應(yīng)新的棉紡工藝。例如在梳棉機(jī)上只要改變其“總牽伸比”，“刺棍速度”、“蓋板速度”、“棉條重量”等參數(shù)，就可進(jìn)行新產(chǎn)品試制。使用這種模式后，產(chǎn)品更新快，批量形成早，產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的高速反應(yīng)能力大大提高，形成你有我有，你無我有的大好局面。
5 交流變頻調(diào)速方案的選擇
設(shè)備的`不同，電動(dòng)機(jī)種類的不同，會(huì)出現(xiàn)多種不同的變頻調(diào)速方案。這里只討論三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案。
(1) 開環(huán)控制的通用變頻器調(diào)速系統(tǒng)控制框圖見圖2。圖2中vvvf—通用變頻器;m—異步電動(dòng)機(jī)。
圖2 開環(huán)異步電動(dòng)變頻調(diào)速
該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍較寬，可靠性高，價(jià)格低廉。它基本能滿足一般調(diào)速精度不十分高的場(chǎng)合。是目前棉紡行業(yè)較普遍使用的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠型品種。其缺點(diǎn)是調(diào)速精度較低，一般為2%左右，且低速性能不夠理想，轉(zhuǎn)速會(huì)隨負(fù)荷力矩而變動(dòng)。目前廣泛應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)等一般要求不高的紡機(jī)上。
圖3 矢量控制變頻調(diào)速
(2) 無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖3所示，圖3中vvvf—矢量變頻器。
由于矢量變頻器可以分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)距電流進(jìn)行檢測(cè)、控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了矢量控制。雖然它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，轉(zhuǎn)速精度可達(dá)5%。轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。
在設(shè)備要求不是十分高的情況下，采用該方案是非常合適的，它可達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性又高的實(shí)效，該方案目前已在fa系列梳棉機(jī)上開始使用并獲得比較理想的效果。
(3) 帶速度傳感器矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。
圖4 矢量閉環(huán)控制變頻調(diào)速
矢量閉環(huán)變頻調(diào)速是一種最為理想的控制方式，他類同于伺服、直流閉環(huán)調(diào)速，但性價(jià)比又大大優(yōu)于兩者。我廠已在fa218c梳棉機(jī)前后比例跟蹤上成功使用該方案，效果非常理想。該方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
(a) 可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即甚低速亦能運(yùn)行，調(diào)速范圍可達(dá)100:1或1000:1。
(b) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速精度高。
(c) 加速度特性好，抗負(fù)載突變能力強(qiáng)。
其缺點(diǎn)是:價(jià)格較貴，按裝速度傳感器必須與電機(jī)同軸，且增加了反饋環(huán)節(jié)，這些都給安裝維護(hù)增加了一定技術(shù)難度。
因此對(duì)于轉(zhuǎn)速精度要求不是特別高，負(fù)載變化不是十分劇烈的場(chǎng)合，建議選用開環(huán)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)為好。
6 對(duì)付變頻干擾的對(duì)策
變頻器內(nèi)部由于存在igbt等高速工作開關(guān)，故在電路中會(huì)出現(xiàn)分布電感和分布電容，他們之間的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，形成發(fā)射電磁波，從而產(chǎn)生高頻(1ghz左右)電磁噪聲或電磁干擾，干擾嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致弱電設(shè)備如plc、電子計(jì)數(shù)器、工控機(jī)等無法正常工作。為此必須采用相應(yīng)措施:
(1) 布線時(shí)，變頻器主回路必須與信號(hào)回路垂直或離開20-30公分。
(2) 信號(hào)線采用屏蔽線或者塑料絞合線，導(dǎo)線絞合后噪聲信號(hào)的大部分會(huì)相互抵消。
(3) 變頻必須使用單獨(dú)接地極，不能與其它動(dòng)力設(shè)備接地相連。且兩者相距最小為5米，更不能將變頻接地連在零線上。
(4) 頻率參數(shù)設(shè)置應(yīng)盡量小于5khz。
(5) 時(shí)在變頻器的輸入、輸出端安裝變頻專用濾波器。
7 結(jié)論
隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和價(jià)格的大幅跳水，其性價(jià)比和使用的方便性已在各種電機(jī)調(diào)速方案中獨(dú)占鰲頭�，F(xiàn)在它已成為棉紡設(shè)備改造和新機(jī)設(shè)計(jì)的首選產(chǎn)品，其廣闊前景將與日俱增。
參考文獻(xiàn)
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[2] 變頻器世界. 京紡國(guó)際有限公司
[3] vfd-b臺(tái)達(dá)變頻使用手冊(cè)
[4] 制造業(yè)自動(dòng)化. 《制造業(yè)自動(dòng)化》雜志社
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